風電葉片模態參數的模擬識別與試驗驗證

任 建， 馮忠彬

（山東省黃河計量研究院, 山東 濟南 250100）

引言

風電葉片的發展趨勢必然是大型化和海洋化，為了風電機組的安全可靠運行，避免共振現象發生，根據IEC61400-23標準，對風電葉片進行模態參數識別是全尺寸結構測試中一項關鍵內容。識別葉片的低階（一階、二階）固有頻率，不僅可以錯開風電機組的激振頻率，保證風力機組安全運行，而且在葉片的氣動結構設計中也至關重要。模態分析作為研究結構件動態響應的技術手段，可分為計算模態和試驗模態，計算模態對數學模型的準確性要求較高，而后者則對儀器設備要求很高[1]。

本文將數值模擬和模態試驗方法有機結合，對某型aeroblade1.5-51.2風電葉片擺振方向以離散化懸臂梁形式作等效簡化，進行了數值模擬。最后采用力錘激振法，在某大型風電葉片測試平臺上對模態參數識別進行了試驗驗證。

1 風電葉片模態參數數值模擬

1.1 計算模型

對風電葉片自振頻率進行數值計算時，將葉片等效為懸臂梁，如圖1所示。

圖1 中，O為轉軸，LR為葉根到轉軸的距離，LB為葉片長度，h和b分別為葉片的厚度和寬度。以有限元理論為基礎，將葉片沿展向離散為n段，葉片振動可等效為有限自由度體系振動。

根據達朗貝爾原理，無阻尼自由度體系的自由振動方程表示為：

無阻尼自由振動可認為簡諧振動，其自振頻率表達式為：

式中M為質量矩陣；ω為自振頻率；K為自身剛度矩陣。

式（2）可等效為：

根據上式即可得出葉片的各階固有頻率及其振型。

1.2 計算算例

以某型號葉片（功率1.5 MW，長度51.2 m）擺振方向為例進行數值計算。根據葉片設計方提供的數據，該款葉片沿展向分成31段，其部分特征參數（長度、線密度、彈性模量等）如下頁表1所示。

以理論計算模型和表1的參數為基礎，在Ansys軟件中采用有限元網格圖，單元數劃為174 390個，在低階頻率及前4階振型進行模擬。

2 模態測試試驗

2.1 擺振模態測試布點方案

對葉片擺振方向進行模態測試時，沿著葉片擺陣方向布置13個水平測點，測點的具體位置如圖2所示。其中測點1距離葉片端部為7.2 m，剩余44 m均分為12等分，即13個測點，每等份約3.67 m。激勵點在測點8位置，方向為z向(垂直方向)，方案如表2所示。

表1 葉片參數表

圖2 測點布置圖

表2 測試方案

2.2 試驗驗證

葉片根部通過幾十個高強度螺栓固定在筒型支座上，按照上述測試方案布置好傳感器，固定好所有的儀器、儀表。

模態測試試驗中所用到的儀器明細如表3所示。

表3 測試儀器

2.3 測試結果

為了更好地激起葉片的低頻振動信號，擺振方向的模態測試采用橡膠錘頭進行錘擊[2]。力錘在測點8的垂直方向敲擊3次，力錘信號采樣頻率為2 560 Hz，加速度響應信號為40 Hz，即變時倍數選為64，每次采集4 096個樣本點，分析頻率為20 Hz，2 048條譜線，頻率的分辨率為0.009 77 Hz。每個測點取3次數據進行平均。

從時域波形得出，力信號幅值約為4 000 N，有效頻譜大概在0～400 Hz，力譜在0～20 Hz范圍內比較平坦且光滑，衰減值僅為0.76 dB，說明力信號能量主要集中在低頻段，能很好地將葉片激振起來。

各通道擺振加速度振動信號頻率響應特性一致性較好，說明所采集信號真實、可信。

激振試驗得到了葉片擺振方向的前4階模態，測試結果如表4所示。

表4 模態參數試驗結果

該方向的模態陣型相關矩陣如圖3所示，可知葉片擺陣的前4階模態完全從耦合方程中解耦，模態參數的試驗測試結果準確。

將模態試驗結果與數值模擬相比較，如下頁表5所示。

由表5可知，擺振方向前兩階的測試結果和數值模擬誤差均小于5%，滿足試驗規范要求，也驗證了數值模擬方法的準確性。

圖3 模態陣型MAC矩陣

表5 測試與模擬對比

3 結論

本文將試驗與數值模擬相結合，開展風電葉片低階頻率識別的研究工作，結論如下。

1）低階模態參數的數值計算和試驗測量比較接近，說明本文將葉片作為懸臂梁的離散簡化比較合理。

2）數值模擬得到的低階固有頻率和振型精度較高，且可視化的計算過程簡單，說明該計算方法在低階模態參數識別方面完全能滿足葉片設計需要。

3）本文采用的試驗模態方法能很好地獲取葉片模態參數，測試過程簡單，試驗結果準確，對葉片疲勞壽命分析能夠提供理論數據支撐，具有很好的工程應用價值[3-4]。